Двухта́ктный каска́д (устаревшее пушпульная схема, пушпульный каскад от  — тяни-толкай) — каскад электронного усилителя, состоящий из двух встречно управляемых активных приборов — ламп, транзисторов, составных транзисторов или более сложных схемотехнических узлов. Усиление мощности входного сигнала распределяется между двумя плечами каскада таким образом, что при нарастании входного сигнала ток нарастает лишь в одном из плеч; при спаде входного сигнала нарастает ток в противоположном плече. Каскады, в которых усиление мощности нарастающих и спадающих сигналов возложено на единственный активный прибор, называют однотактными.

Двухтактная схема доминирует в схемотехнике КМОП- и N-МОП-логики, выходных каскадов операционных усилителей, транзисторных усилителей мощности звуковой частоты. Она позволяет строить экономичные электронные ключи и линейные усилители мощности, работающие в режимах AB или В с относительно высоким коэффициентом полезного действия и относительно низкими нелинейными искажениями. При усилении переменного тока два активных прибора такого усилителя («верхний и нижний» или «левый и правый») передают ток в нагрузку попеременно. Свойственные всем усилительным приборам чётные гармоники искажений подавляются, а нечётные, напротив, усугубляются. Кроме того, при передаче управления нагрузкой от одного активного прибора другому двухтактный каскад генерирует коммутационные искажения выходного сигнала.

Принцип действия

Простейший линейный двухтактный каскад — комплементарный эмиттерный повторитель в режиме B — образуется встречным включением двух эмиттерных повторителей на транзисторах npn- (верхнее плечо) и pnp-структуры (нижнее плечо). При нулевом управляющем напряжении оба транзистора закрыты, ток нагрузки равен нулю. При превышении порога включения транзистора, примерно верхний по схеме (npn) транзистор плавно открывается, соединяя положительную шину питания с нагрузкой. При дальнейшем росте управляющего напряжения выходное напряжение повторяет входное со сдвигом на нижний транзистор остаётся закрытым. Аналогично, при отрицательных управляющих напряжениях открывается нижний (pnp) транзистор, соединяя нагрузку с отрицательной шиной питания, а верхний остаётся закрытым. В области малых управляющих напряжений, когда оба транзистора закрыты, наблюдаются характерные коммутационные искажения формы сигнала в виде ступеньки.

Сходно, но иначе действует простейший ключевой двухтактный каскад — инвертор КМОП-логики. Полевые транзисторы инвертора работают в режиме с общим истоком, поэтому они и усиливают, и инвертируют входное напряжение. Верхний по схеме транзистор p-типа проводимости открывается низким логическим уровнем и передаёт на выход высокий логический уровень, нижний транзистор открывается высоким логическим уровнем и передаёт на выход низкий уровень, коммутируя нагрузку на нижнюю шину питания. Пороги переключения транзисторов подбираются таким образом, чтобы в середине интервала между высоким и низким входными уровнями оба транзистора были гарантированно открыты — это ускоряет переключение ценой незначительных потерь мощности при кратковременном протекании сквозного тока. В устойчивых состояниях логического нуля и логической единицы открыт только один из двух транзисторов, а другой закрыт. Типичной нагрузкой логического элемента служат затворы других логических элементов, поэтому его транзисторы передают в нагрузку ток только при переключении. По мере перезарядки нагрузочных ёмкостей выходной ток затухает до нуля, но один из двух транзисторов остаётся открытым.

Альтернативные определения Двухтактные каскады могут выполняться по иным схемам, усиливать постоянное либо переменное напряжение или ток, работать на активную или реактивную нагрузку, они могут быть инвертирующими или неинвертирующими. Общим для всех конфигураций является принцип противофазности: при нарастании управляющего напряжения ток нарастает лишь в одном из двух плеч схемы; при спаде управляющего напряжения ток нарастает в другом, противоположном плече. Поведение схемы в статическом режиме, в общем случае, не определено — важна лишь её реакция на изменение входного сигнала. В отдельных отраслях электроники и в исторической, устаревшей литературе могут встречаться и более узкие частные определения: Двухтактный усилитель () — усилитель, в котором входные сигналы, управляющие транзисторами, являются противофазными, а выходные сигналы складываются, что позволяет удвоить выходную мощность по сравнению с однотактным усилителем (США, 2013) Двухтактная схема () — симметричная схема, в которой два активных прибора действуют попеременно, каждый в своей половине периода входного сигнала, и совместно управляют передачей тока в общую нагрузку. Двухтактное включение снижает уровень чётных гармоник, но повышает уровень нечётных (США, 2011). Двухтактная схема — схема, состоящая из двух одинаковых [активных] цепей, включённых таким образом, что в них текут токи, одинаковые по величине, но противоположные по фазе (СССР, 1960). Двухтактный усилитель — усилитель мощности в радиопередающих и приёмных устройствах, содержащий две электронные лампы или две группы ламп в одном каскаде, работающие совместно на общую нагрузку. Напряжения на сетках этих ламп действуют друг к другу в противофазе. В выходной нагрузке отдаваемые лампами мощности складываются (СССР, 1952). Пушпульный усилитель — усилитель мощности в радиопередающих и радиоприёмных устройствах, состоящий из двух электронных ламп (или двух групп ламп), работающих совместно на общую нагрузку, у которых напряжения на [управляющих] сетках находятся в противофазе (СССР, 1955).

Понятие каскада В ламповой схемотехнике понятие выходного каскада буквально соответствует понятию «каскада усиления» («ступень усиления, радиотехническое устройство, содержащее усилительный элемент, цепь нагрузки, цепи связи с предыдущим или последующим каскадами»). В этой трактовке в каждом плече двухтактного выходного каскада работает единственный активный прибор. Это может быть одиночная лампа или группа параллельно включённых ламп, но о последовательном включении ламп внутри каскада речи, как правило, не шло. Аналогичный подход применяется и в транзисторной схемотехнике радиочастотных усилителей мощности.

В транзисторной схемотехнике усилителей мощности звуковой частоты, напротив, простые каскады — редкость. Двухтранзисторные биполярные выходные каскады работоспособны только в относительно слаботочных устройства, а для того, чтобы согласовать каскады промежуточного усиления с низкоомной нагрузкой, необходимо последовательное включение как минимум двух ступеней усиления тока. На практике в каждом плече двухтактного выходного каскада может быть от двух до четырёх «каскадов внутри каскада». Транзисторы, входящие в состав этих двоек, троек и четвёрок, охвачены локальными обратными связями, и обычно рассматриваются в комплексе. Простейшие случаи таких комплексов — пары Дарлингтона и пары Шиклаи. Кроме них, на практике используются как минимум семь биполярных «троек» («тройка» Quad 303, «тройка» Bryston и так далее), четырёхкаскадные эмиттерные повторители и «четвёрки» Bryston, которые защищаются от перегрузки по току или мощности дополнительными активными цепями. Эти схемы в целом и называются выходными каскадами, а их внутренние части, если их вообще имеет смысл выделять, рассматриваются как ступени выходного каскада.

Базовые схемы Двухтактный каскад может строиться по одной из трёх базовых схем. Все три топологии являются вариантами полумостовой схемы подключения нагрузки к двум активным приборам и одному либо двум источникам питания. Симметричное и несимметричное (квазикомплементарное) включения могут быть реализованы на всех типах активных приборов, комплементарное — только на парах транзисторов с противоположными (комплементарными) типами проводимости. Симметричное включение Несимметричное (квазикомплементарное) включение Комплементарное включение Типы выходных приборов <center>Лампы или транзисторы одного типа проводимости <center>Лампы или транзисторы одного типа проводимости <center>Комплементарные пары транзисторов Включение выходных приборов по постоянному току <center>Параллельное <center>Последовательное <center>Последовательное Связь с нагрузкой <center>Обычно трасформаторная <center>Обычно непосредственная <center>Обычно непосредственная Полярность входного сигнала (сигналов) <center>Противофазные сигналы равной амплитуды <center>Противофазные сигналы <center>Единственный входной сигнал

В приведённых структурных схемах для наглядности изображены биполярные транзисторы — на их месте могут быть вакуумные триоды, экранированные лампы, боковые или вертикальные МДП-транзисторы. Включение источников питания в структурных схемах приближено к идеальной мостовой схеме. В реальных усилителях подача питания может осуществляться и по более простой (однополярной), и по более сложным схемам, а на месте двух активных приборов могут быть составные транзисторы («двойки»), «тройки», «четвёрки», батареи параллельно включенных ламп или транзисторов. В этих случаях уместно говорить на об отдельных лампах или транзисторах, а о двух плечах двухтактной схемы: в симметричном включении — о левом и правом, в комплементарном и квазикомплементарном — о верхнем и нижнем плечах.

Симметричное включение

В симметричной схеме два идентичных активных прибора включены параллельно друг другу по постоянному току: общий ток покоя, потребляемый каскадом при нулевом входном сигнале, делится на две равные части, протекающие через левое и правое плечо усилителя. Напряжение усиливаемого сигнала подаётся на управляющий электрод инвертирующего (левого по схеме) плеча, а его зеркальная копия, сформированная внешним фазорасщепителем, подаётся на вход инвертирующего (правого по схеме) плеча. При положительном напряжении сигнала ток инвертирующего плеча возрастает, ток неинвертирующего плеча уменьшается. Для того, чтобы передать эти изменения тока в нагрузку, активные приборы включаются в нижние плечи Н-образной мостовой схемы, а токи верхних плеч моста тем или иным способом фиксируются. Разница между токами верхних и нижних плеч моста замыкается через нагрузку, включенную «перекладиной» моста.

В роли верхних плеч Н-образного моста могут служить, например, катушки индуктивности, полное сопротивление которых во всём рабочем диапазоне частот существенно выше сопротивления нагрузки, а сопротивление постоянном току относительно мало. Ещё удобнее использовать трансформатор с отводом от средней точки первичной обмотки. Трансформаторная связь позволяет согласовывать относительно большие внутренние сопротивления реальных ламп и транзисторов с низкими сопротивлениями реальных нагрузок — громкоговорителей, электродвигателей, антенн, кабельных линий, но её главная задача — коммутация противофазных выходных токов в общую нагрузку. Именно трансформаторная схема, разработанная компанией RCA в 1923 году, была основной в ламповой схемотехнике, а «симметричное включение» было фактически синонимом двухтактного каскада. По этой схеме строились первые транзисторные усилители, и продолжают строиться транзисторные усилители радиочастот особо большой мощности. Другие достоинства трансформаторной схемы — высокий коэффициент полезного действия и высокий уровень выходной мощности в режиме B, симметричное воспроизведение положительных и отрицательных входных напряжений, подавление нечётных гармоник, простое устройство однополярного источника питания, относительная нечувствительность к разбросу токов покоя двух плеч. Недостатки — ограниченная полоса пропускания и фазовые искажения реальных трансформаторов, ограничивающие возможность применения обратной связи, и принципиальная невозможность передачи в нагрузку постоянного тока.